[论文解读] Dark matter conversion as a source of boost factor for explaining the cosmic ray positron and electron excesses

Zepeng Liu, Yue-Liang Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出，在多组分暗物质模型中，晚期的暗物质（DM）转换可产生较大的增强因子，以解释PAMELA、Fermi-LAT和HESS观测到的宇宙射线正电子和电子过剩。当较重的DM组分近乎简并时，它们在热退耦后通过强相互作用转化为最轻的DM组分，显著增强其遗迹密度，从而对1 TeV质量的DM产生约500的增强因子，且无需依赖速度相关截面或晚期衰变。

ABSTRACT

In interacting multi-component dark matter (DM) models, if the DM components are nearly degenerate in mass and the interactions between them are strong enough, the relatively heavy DM components can be converted into lighter ones at late time after the thermal decoupling. Consequently, the relic density of the lightest DM component can be considerably enhanced at late time. This may contribute to an alternative source of boost factor required to explain the positron and electron excesses reported by the recent DM indirect search experiments such as PAMELA, Fermi-LAT and HESS etc..

研究动机与目标

• 解释PAMELA、Fermi-LAT和HESS报告的宇宙射线正电子和电子过剩现象。
• 识别一种新的机制，用于在不依赖速度相关截面或不稳定粒子晚期衰变的前提下，生成暗物质湮灭过程中的大增强因子。
• 证明在热退耦后，较重DM组分向最轻DM组分的晚期转换可增强其遗迹密度，从而提高有效湮灭截面。
• 表明该机制在具有强组分间相互作用和质量简并的多组分DM模型中具有可行性。

提出的方法

• 使用归一化到熵密度的数密度的玻尔兹曼方程，对多组分DM的热演化进行建模。
• 在玻尔兹曼方程中引入通过热平均截面⟨σv⟩和⟨σijv⟩描述的DM湮灭和转换过程。
• 使用比值r_ij(x) = Y_ieq(x)/Y_jeq(x)描述组分之间的平衡数密度比，其依赖于质量差和内部自由度。
• 引入一个简化的拉格朗日量，包含标量和费米子DM组分、一个重规范玻色子A，以及一个三重态标量Δ，以介导DM相互作用和转换。
• 通过调节m_A ≈ 2m_2，在A玻色子交换通道中实现共振增强，以最大化转换截面。
• 通过特定参数的数值计算，评估湮灭与转换截面之比w和最终的增强因子B。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多组分DM模型中，晚期暗物质转换是否能产生足够大的增强因子，以解释宇宙射线正电子和电子过剩？
• RQ2 在热退耦后，通过组分间转换过程，最轻DM组分的遗迹密度在多大程度上得以增强？
• RQ3 在何种参数区域内，可在不依赖速度相关湮灭截面或不稳定粒子晚期衰变的前提下，实现大增强因子？
• RQ4 在所提模型中，当m_A ≈ 2m_2时，共振条件在多大程度上能增强转换截面？

主要发现

• 对于1 TeV的暗物质质量，实现了约500的增强因子，足以解释PAMELA正电子过剩，且无需极端微调。
• 该模型通过较重DM组分向最轻DM组分的晚期转换实现大增强因子，其驱动力为强组分间相互作用和质量简并。
• 湮灭与转换截面之比为w ≈ 1×10⁻⁵，表明湮灭过程仍处于次要地位，而转换过程主导了遗迹密度的增强。
• 当规范玻色子A处于共振状态（m_A ≈ 2m_2）时，转换截面显著增强，在基准情景中仅需1%的相对质量分裂。
• 该模型与观测到的暗物质遗迹密度一致，并满足间接探测的约束，因为有效湮灭截面是通过转换而非直接湮灭增强的。